Quali sono le principali funzioni dei microtubuli nella cellula?

I microtubuli sono esattamente come suonano: microscopici tubi cavi che si trovano all'interno delle cellule eucariotiche e alcune cellule di batteri procarioti che forniscono struttura e funzioni motorie alla cellula. Gli studenti di biologia imparano durante i loro studi che esistono solo due tipi di cellule: procariote ed eucariote.

Le cellule procariotiche costituiscono gli organismi unicellulari che si trovano nei domini Archaea e Bacteria sotto il sistema tassonomico di Linneo, un sistema di classificazione di tutta la vita, mentre le cellule eucariotiche ricadono sotto il dominio Eukarya, che sovrintende al protista, alle piante, agli animali e ai funghi regni. Il regno Monera si riferisce ai batteri. I microtubuli contribuiscono a molteplici funzioni all'interno della cellula, tutte importanti per la vita cellulare.

TL; DR (troppo lungo; non ho letto)

I microtubuli sono strutture tubolari minuscole, cave, simili a perline che aiutano le cellule a mantenere la loro forma. Insieme ai microfilamenti e ai filamenti intermedi, formano il citoscheletro della cellula e partecipano a una varietà di funzioni motorie per la cellula.

Come parte del citoscheletro della cellula, i microtubuli contribuiscono a:

• Dare forma alle cellule e alle membrane cellulari.
• Movimento cellulare, che include la contrazione delle cellule muscolari e altro ancora.
• Trasporto di organelli specifici all'interno della cellula tramite "carreggiate" di microtubuli o "nastri trasportatori".
• Mitosi e meiosi: movimento dei cromosomi durante la divisione cellulare e creazione del fuso mitotico.
  

I microtubuli sono tubi o tubi piccoli, cavi, simili a perline con pareti costruite in un cerchio di 13 protofilamenti costituiti da polimeri di tubulina e proteine ​​globulari. I microtubuli assomigliano a versioni miniaturizzate di trappole per dita cinesi con perline. I microtubuli possono crescere fino a 1.000 volte la loro larghezza. Fabbricati dall'assemblaggio di dimeri - una singola molecola o due molecole identiche unite tra loro di alfa e beta tubulina - i microtubuli esistono sia nelle cellule vegetali che in quelle animali.

Nelle cellule vegetali, i microtubuli si formano in molti siti all'interno della cellula, ma nelle cellule animali, i microtubuli iniziano dal centrosoma, un organello vicino al nucleo della cellula che partecipa anche alla cellula divisione. L'estremità meno rappresenta l'estremità attaccata del microtubulo mentre il suo opposto è l'estremità più. Il microtubulo cresce all'estremità positiva attraverso la polimerizzazione dei dimeri di tubulina e i microtubuli si restringono con il loro rilascio.

I microtubuli danno struttura alla cellula per aiutarla a resistere alla compressione e per fornire un'autostrada in cui le vescicole (strutture simili a sacche che trasportano proteine ​​e altri carichi) si muovono attraverso la cellula. I microtubuli separano anche i cromosomi replicati alle estremità opposte di una cellula durante la divisione. Queste strutture possono funzionare da sole o in combinazione con altri elementi della cellula per formare strutture più complicate come centrioli, ciglia o flagelli.

Con diametri di soli 25 nanometri, i microtubuli spesso si sciolgono e si riformano non appena la cellula ne ha bisogno. L'emivita della tubulina è solo di circa un giorno, ma un microtubulo può esistere solo per 10 minuti poiché sono in uno stato di instabilità costante. Questo tipo di instabilità è chiamato instabilità dinamica e i microtubuli possono assemblarsi e smontarsi in risposta alle esigenze della cellula.

I componenti che compongono il citoscheletro includono elementi costituiti da tre diversi tipi di proteine: microfilamenti, filamenti intermedi e microtubuli. Le più strette di queste strutture proteiche includono i microfilamenti, spesso associati alla miosina, una formazione proteica filiforme che, quando combinata con la proteina actina (fibre lunghe e sottili che sono anche chiamate filamenti "sottili"), aiuta a contrarre le cellule muscolari e fornisce rigidità e forma al cellula.

I microfilamenti, piccole strutture a bastoncino con un diametro medio compreso tra 4 e 7 nm, contribuiscono al movimento cellulare oltre al lavoro che svolgono nel citoscheletro. I filamenti intermedi, con un diametro medio di 10 nm, agiscono come elementi di fissaggio fissando gli organelli cellulari e il nucleo. Aiutano anche la cellula a resistere alla tensione.

I microtubuli possono sembrare completamente stabili, ma sono in costante flusso. In qualsiasi momento, gruppi di microtubuli potrebbero essere in fase di dissoluzione, mentre altri potrebbero essere in fase di crescita. Man mano che il microtubulo cresce, gli eterodimeri (una proteina costituita da due catene polipeptidiche) forniscono cappucci all'estremità del microtubulo, che si staccano quando si restringe per essere riutilizzati. L'instabilità dinamica dei microtubuli è considerata uno stato stazionario rispetto a un vero equilibrio perché hanno un'instabilità intrinseca: si spostano dentro e fuori la forma.

La divisione cellulare non è importante solo per riprodurre la vita, ma per creare nuove cellule dalle vecchie. I microtubuli svolgono un ruolo importante nella divisione cellulare contribuendo alla formazione del fuso mitotico, che partecipa alla migrazione dei cromosomi duplicati durante l'anafase. Come "macchina macromolecolare", il fuso mitotico separa i cromosomi replicati sui lati opposti durante la creazione di due cellule figlie.

La polarità dei microtubuli, con l'estremità attaccata che è un meno e l'estremità fluttuante che è un positivo, lo rende un elemento critico e dinamico per il raggruppamento e lo scopo del mandrino bipolare. I due poli del fuso, costituiti da strutture di microtubuli, aiutano a segregare e separare in modo affidabile i cromosomi duplicati.

I microtubuli contribuiscono anche alle parti della cellula che la aiutano a muoversi e sono elementi strutturali di ciglia, centrioli e flagelli. Lo spermatozoo maschile, ad esempio, ha una lunga coda che lo aiuta a raggiungere la destinazione desiderata, l'ovulo femminile. Chiamato flagello (il plurale è flagello), quella lunga coda filiforme si estende dall'esterno della membrana plasmatica per alimentare il movimento della cellula. La maggior parte delle cellule, nelle cellule che li hanno, generalmente hanno da uno a due flagelli. Quando le ciglia esistono sulla cellula, molte di esse si diffondono lungo l'intera superficie della membrana plasmatica esterna della cellula.

Le ciglia sulle cellule che rivestono le tube di Falloppio di un organismo femminile, ad esempio, aiutano a spostare l'ovulo al suo fatidico incontro con lo spermatozoo nel suo viaggio verso l'utero. I flagelli e le ciglia delle cellule eucariotiche non sono strutturalmente gli stessi di quelli che si trovano nelle cellule procariotiche. Costruito con lo stesso con i microtubuli, i biologi chiamano la disposizione dei microtubuli una "matrice 9 + 2" perché un flagello o ciglio è costituito da nove coppie di microtubuli in un anello che racchiude un duo di microtubuli nel centro.

Le funzioni dei microtubuli richiedono proteine ​​della tubulina, punti di ancoraggio e centri di coordinamento per le attività enzimatiche e altre attività chimiche all'interno della cellula. Nelle ciglia e nei flagelli, la tubulina contribuisce alla struttura centrale del microtubulo, che include contributi di altre strutture come i bracci di dineina, i collegamenti di nexina e i raggi radiali. Questi elementi consentono la comunicazione tra i microtubuli, tenendoli insieme in un modo simile a come si muovono i filamenti di actina e miosina durante la contrazione muscolare.

Anche se sia le ciglia che i flagelli sono costituiti da strutture di microtubuli, i modi in cui si muovono sono nettamente diversi. Un singolo flagello spinge la cellula nello stesso modo in cui la coda di un pesce muove un pesce in avanti, con un movimento da lato a lato simile a una frusta. Un paio di flagelli possono sincronizzare i loro movimenti per spingere la cellula in avanti, come funzionano le braccia di un nuotatore quando nuota a rana.

Le ciglia, molto più corte del flagello, ricoprono la membrana esterna della cellula. Il citoplasma segnala alle ciglia di muoversi in modo coordinato per spingere la cellula nella direzione in cui deve andare. Come una banda musicale, i loro movimenti armonizzati seguono tutti lo stesso batterista. Individualmente, il movimento di un ciglio o flagello funziona come quello di un singolo remo, passando attraverso il mezzo con un potente colpo per spingere la cellula nella direzione in cui deve andare.

Questa attività può verificarsi a dozzine di colpi al secondo e un colpo può comportare il coordinamento di migliaia di ciglia. Al microscopio, puoi vedere quanto velocemente i ciliati rispondono agli ostacoli nel loro ambiente cambiando rapidamente direzione. I biologi studiano ancora come rispondono così rapidamente e devono ancora scoprire il meccanismo di comunicazione attraverso il quale le parti interne della cellula dicono alle ciglia e ai flagelli come, quando e dove andare.

I microtubuli fungono da sistema di trasporto all'interno della cellula per spostare i mitocondri, gli organelli e le vescicole attraverso la cellula. Alcuni ricercatori si riferiscono al modo in cui questo processo funziona paragonando i microtubuli simili ai nastri trasportatori, mentre altri ricercatori si riferiscono a loro come a un sistema di binari attraverso il quale mitocondri, organelli e vescicole si muovono attraverso il cellula.

In quanto fabbriche di energia nella cellula, i mitocondri sono strutture o piccoli organi in cui si verificano la respirazione e la produzione di energia, entrambi processi biochimici. Gli organelli sono costituiti da più strutture piccole ma specializzate all'interno della cellula, ognuna con le proprie funzioni. Le vescicole sono piccole strutture simili a sacche che possono contenere fluidi o altre sostanze come l'aria. Le vescicole si formano dalla membrana plasmatica, pizzicandosi per creare una sacca sferica racchiusa da un doppio strato lipidico.

La struttura a perline dei microtubuli funge da nastro trasportatore, binario o autostrada per trasportare vescicole, organelli e altri elementi all'interno della cellula nei luoghi in cui devono andare. I motori dei microtubuli nelle cellule eucariotiche includono kinesine, che si spostano verso l'estremità più del microtubulo - l'estremità che cresce - e dyneins che si spostano all'estremità opposta o negativa dove il microtubulo si attacca alla membrana plasmatica.

Come proteine ​​"motrici", le chinesine muovono organelli, mitocondri e vescicole lungo i microtubuli filamenti attraverso il potere di idrolisi della valuta energetica della cellula, adenosina trifosfato o ATP. L'altra proteina motore, la dineina, fa muovere queste strutture nella direzione opposta lungo i filamenti dei microtubuli verso l'estremità negativa della cellula convertendo l'energia chimica immagazzinata nell'ATP. Sia le chinesine che le dineine sono i motori proteici utilizzati durante la divisione cellulare.

Studi recenti mostrano che quando le proteine ​​della dineina camminano fino alla fine del lato negativo del microtubulo, si riuniscono lì invece di cadere. Saltano attraverso l'intervallo per connettersi a un altro microtubulo per formare ciò che alcuni scienziati chiamano "astri", pensato dagli scienziati per essere un processo importante nella formazione del fuso mitotico trasformando i molteplici microtubuli in un singolo configurazione.

Il fuso mitotico è una struttura molecolare "a forma di pallone da calcio" che trascina i cromosomi alle estremità opposte appena prima che la cellula si divida per formare due cellule figlie.

Lo studio della vita cellulare va avanti dall'invenzione del primo microscopio nell'ultima parte del XVI secolo, ma è solo negli ultimi decenni che si sono verificati progressi nel settore cellulare biologia. Ad esempio, i ricercatori hanno scoperto la proteina motoria chinesina-1 solo nel 1985 con l'uso di un microscopio ottico potenziato dal video.

Fino a quel momento, le proteine ​​motorie esistevano come una classe di molecole misteriose sconosciute ai ricercatori. Man mano che gli sviluppi tecnologici avanzano e gli studi continuano, i ricercatori sperano di scavare in profondità nella cellula per scoprire tutto ciò che possono eventualmente imparare su come funzionano i meccanismi interni della cellula così senza soluzione di continuità.